规模化主动穿刺在南中国海的应用

2024-01-22王家栋邓成辉左坤

石化技术 2024年1期

王家栋邓成辉左坤

中海石油（中国）有限公司深圳分公司广东深圳 518000

海洋石油勘探开发是近年来我国海洋强国战略的重要组成部分，而其中自升式钻井平台在近海油气钻探中占据统治地位[1]。

插桩作业是自升式钻井平台钻探作业中的必要前置步骤，如果在海岸或海中进行修建码头、海堤、平台等施工时，必须了解海底十几米以内的地层情况。在插桩时，平台常见的地质问题之一是硬黏土-软黏土呈上下层状分布的地质现象（俗称“鸡蛋壳”地层）[2]。这类海底土层表面很硬，但实际上只是薄薄的一层"硬壳"，而硬质层下面则是较软的地质层。桩腿穿透上层硬质黏土后，会在下层软黏土层中加速沉降，并引起船身受损、船体倾覆等一系列相关问题，造成人员伤害和经济损失[3]。如果在这种地层上进行自升式钻井平台插桩就位或修采油平台等作业，将面临倾覆的风险。在应对自升式平台插桩遇“鸡蛋壳”地层而引起的平台失稳时，主动穿刺技术应运而生，用于解决这一困扰全球自升式平台的地质难题[4]。

在我国南海海域，“鸡蛋壳”地层普遍存在且广泛分布[5]，对主动穿刺技术进行研究和应用是提高生产效率、降低事故概率的有效手段。本文将结合恩平M无人平台生产实际，探究规模化主动穿刺技术在南海油气钻探中的应用。

无人平台是指海上无人驻守的油气生产平台，是海上石油勘探开发的一项新型助力设施。与传统的有人平台相比，无人平台提供了成本效益和生产效率兼具的解决方案，可节约大量建造和维护成本，并促进对于传统开发模式下不具备经济性的油气藏的开发利用。

恩平M平台是我国首个标准化设计建造的无人平台，在恩平M油田开发项目中应用。该平台减少了油水处理系统、公用系统、生活楼和模块钻机等大型设备，从而将设备维保工作量降低了近30%。在油田生产的初期，进行钻井作业是一个具有挑战的问题。恩平M油田使用海洋石油943钻井平台来实施钻完井作业。

恩平M平台所在海域地层呈现“鸡蛋壳”结构，这给自升式钻井平台的插桩就位带来了严重的挑战，因此设施的安全保证被置于首要位置。

1 恩平M 油田海域“鸡蛋壳”地层情况

恩平M平台所在海域水深达89米，工程勘察作业公司完成了恩平M油田场址工程地质勘察，预先在3个桩靴位置各布设了1个40m的取样钻孔和1个40m的CPT测试孔，进行了土工试验及自升式钻井平台插桩分析。

根据调查结果，目标场址浅部可能埋藏古河道，土质非均质性强，横向差异大，在1#和2#桩腿，0～9.5m（9.9m）深度范围内土层为稍硬的砂质粘土(承载力系数Nq=3.9，粘性抗剪强度变化范围为2～35kPa），从9.5m（9.9m）～16.5m深度范围内土层为强度相对较低的粉质粘土（32kPa～35kPa)；在3#桩腿，0～16.1m深度范围内土层为稍硬的砂质粘土和粘质砂，粒状土颗粒含量增加明显(承载力系数Nq=3.9，粘性抗剪强度变化范围为2～45kPa），且现有土质承载力参数无法精准刻画真实地层，存在″鸡蛋壳″地层，有穿刺风险。自升式钻井平台海洋石油943在目标场址桩腿初始入泥约10.5m，穿刺安全系数0.61存在穿刺风险，若穿刺，行程可达6.8m。考虑钻井平台就位安全，插桩就位需要工程船主动穿刺进行钻孔服务。

根据海洋石油943钻井平台桩靴尺寸，以桩尖站立位置为圆心，在桩靴覆盖面积范围内，采用工程船钻一定数量的孔眼作业，单个桩靴位置钻孔数量为150个孔，钻孔深度设计为泥线以下15m。将易造成自升式钻井平台穿刺的″鸡蛋壳″地层钻穿，降低钻井平台插桩就位穿刺风险。

2 工程方案

为了将浅部相对较硬地层破坏，降低海洋石油943钻井平台插桩作业风险，采用工程船以钻孔主动穿刺方式钻松表层地层、破坏硬地层。

底部钻具组合采用6 6 0.4 m m 牙轮钻头加1066.8mm扩眼器，钻孔直径1.067m，钻孔深度至泥线以下15m，孔间距为1.5～2m。海洋石油943平台的桩靴直径为18m，钻孔在桩靴范围内的布置图见图1，破坏1、2、3号预定桩靴范围内0-15m深度范围内的硬地层。

图1 恩平M油田场址钻孔工程实施方案平面布置图

图2 1#桩靴钻孔范围实际钻孔位置图

图3 2#桩靴钻孔范围实际钻孔位置图

图4 3#桩靴钻孔范围实际钻孔位置图

图5 1#桩靴钻孔前浅地层剖面（对角线，方向：剖面左上-右下）

图6 1#桩靴钻孔后浅地层剖面（对角线，方向：剖面左上-右下）

每桩靴位置设计钻孔150个，每个孔深度15m，3个桩靴位置共钻450个孔。

3 作业船舶和主要设备

主动穿刺使用的机具是W工程船，具备DP-II动力定位系统，拥有深水工程钻机，最大作业水深3000m。

Sealion是重工作型ROV。Sealion的多功能性，让其拥有的作业能力、良好的适应性，可在复杂海况下作业。它具有100匹的马力且有水平方向4个，垂直方向4个推进器，2个7功能机械手，另可选配置先进的7功能Shilling-Orion机械手和5功能Rig Master功能手，1000米的水深作业能力等。

工程物探调查设备（ROV搭载）有Klein3000旁扫声呐系统、IXSEA 3.5kHz浅地层剖面仪、EM302多波束测深系统。

4 主动穿刺作业实际情况

使用W工程船实施恩平M油田主动穿刺钻孔作业，在三个桩靴插桩的位置进行钻孔破坏“鸡蛋壳”地层，累计钻孔463个，进尺6.7公里。其中在1#桩靴钻孔位置范围钻孔170个，2#桩靴钻孔142个，3#桩靴钻孔151个，各个桩靴钻孔范围内实际钻孔位置如下图所示。

本次ROV系统所搭载的调查设备主要包括Klein3000旁扫声呐系统、IXSEA 3.5kHz浅地层剖面仪和EM302多波束测深系统。所有的数据采集系统和辅助定位系统，如声学定位、光纤罗经、运动传感器等都集成于ROV载体上。调查过程中，ROV离海底高度一般保持在8m左右。

本次浅地层剖面分析，主动穿刺效果解释如下：通过钻孔前后的浅地层剖面对比可以看出，钻孔前地层比较连续，地层界面清楚，钻孔之后地层反射在钻孔范围内不明显，说明主动刺穿钻孔对原地层在一定深度范围内有较好的破坏效果，有效消除了鸡蛋壳地层影响。以下两图是1#桩靴钻孔前后浅地层剖面情况。

5 主动穿刺效果验证

恩平M平台共有20个槽口，要使悬臂梁全部覆盖作业井槽，对自升式钻井平台就位提出了更高的要求，就位精度更严苛，要达到横向误差0.3米、纵向误差0.5米的要求。就位过程采用全站仪、卫星定位系统等多套系统设备，高精度完成海洋石油943钻井平台靠恩平M无人平台第一次精就位，艏向较设计偏差小于0.04°，横向偏差～0.08m，纵向偏差0.25m；安全顺利完成钻井平台与无人平台距离仅有3米的第二次精就位作业，实现作业井槽全覆盖。

海洋石油943钻井平台的成功就位，有效验证主动穿刺作业对破坏“鸡蛋壳”地层效果显著，确保后续作业的安全可靠。